Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Verwendung optischer
Systeme, z.B. optische Faserkommunikationssysteme und
optische Massenspeichereinrichtungen, die Dünnfilm-
Polarisationsrotatoren umfassen.
Hintergrund der Erfindung
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Optische Isolatoren, die den Faraday-Effekt benutzen, um
linear polarisiertes Licht zu drehen, werden
vorteilhafterweise in optischen Systemen verwendet, um z.B.
reflektiertes Licht von einem Wiedereindringen in Laser
abzuhalten. Im einzelnen sind Dunnfilm-Wellenleiter-
Lichtdrehungseinrichtungen vorteilhaft, wo eine Einbettung
in miniaturisierten integrierten optischen Einrichtungen ins
Auge gefaßt wird.
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Dünnfilm-Wellenleitereinrichtungen, die eine
Flächenmagnetisierung verwenden, sind tatsächlich
hergestellt worden. Derartige Einrichtungen haben z.B. eine
magnetisierte (in der Filmebene) YIG-Schicht, die epitaxisch
auf einem (fein angepaßten Gitter) Substrat aus z.B.
Gadolinium-Gallium-Granat (Gd&sub3;Ga&sub5;O&sub1;&sub2;, bezeichnet als GGG)
gezogen wurde. Während diese Einrichtungen moglicherweise
attraktiv wären, sind sie unglücklicherweise abhängig von
linearer Doppelbrechung, die ein unvollständiges Abblocken
des reflektierten Lichts nach sich zieht. Diese Effekte der
linearen Doppelbrechung in magnetisierten Dünnfilm-
Wellenleitereinrichtungen haben also ein ernstes Hindernis
bei deren vorteilhaften Einsatz dargestellt.
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Die Faktoren, die für die in Dünnfilmen von z.B. YIG
gefundene lineare Doppelbrechung verantwortlich sind, sind
identifiziert worden. Bei einer sorgfältigen Konstruktion
können die verschiedenen Quellen der linearen Doppelbrechung
benutzt werden, um sich einander aufzuheben, um eine lineare
Netto-Doppelbrechung von Null zu erzeugen.
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Z.B. beschreibt R. Wolfe et al. in "Thin-Film Garnet
Materials with Zero Linear Birefrigence for Magneto-Optic
Waveguide Devices (Invited)", J. Applied Phys., Band 63,
Seiten 3099-3103 (1988) ein Verfahren zum Herstellen eines
Dünnfilm-Wellenleiter-Polarisationsrotators, der im
wesentlichen eine lineare Netto-Doppelfrequenz von Null
erreicht, d.h. er erreicht einen Wert des dimensionslosen
Verhältnisses B/F, der kleiner oder gleich ungefähr 0,1 ist.
Das Verhältnis B/F drückt das Verhältnis der linearen
Doppelbrechung zur Faraday-Drehung aus. B ist gleich Δβ/2,
wobei Δβ=2π Δn/λ ist und Δn die Differenz in den bei den
TE- und TM-Komponenten beobachteten Brechungskoeffizienten
bezeichnet, während λ die Wellenlänge des Lichts bezeichnet.
Physikalisch ist Δβ die Phasendifferenz (hervorgerufen durch
die lineare Netto-Doppelbrechung) zwischen den TE- und TM-
Komponenten pro Längeneinheit des Film und hat die Dimension
von z.B. Radiant pro Zentimeter. F bezeichnet außerdem die
Faraday-Drehung pro Längeneinheit des Films. F wird in
derselben Einheit wie Δβ ausgedrückt, z.B. in Radiant pro
Zentimeter.
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Mit dem Verfahren nach Wolfe et al. kann eine lineare
Doppelbrechung bei gegebener Temperatur und einer gegebenen
Wellenlänge wesentlich von einem magnetischen Dünnfilm-
Wellenleiter behoben werden. Wenn der Wellenleiter außerdem
aus einem nicht reziproken Material zusammengesetzt wird,
ist schnell eine brauchbare nicht-reziproke optische
Einrichtung, wie z.B. ein Isolator hergestellt. (Ein
optisches Element wird als nicht-reziprok bezeichnet, wenn
es Lichtstrahlen, die sich gegensätzlich ausbreiten, in die
gleiche Richtung dreht, aber bei nicht unbedingt dem
gleichen Betrag.) In der Praxis kann es notwendig sein, den
Wellenleiter über einen Wellenlängen- und Temperaturbereich
zu betreiben, und daher kann es möglich sein, einen kleinen
aber bezeichnenden Betrag linearer Doppelbrechung im
Wellenleiter zu tolerieren.
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H. Dammann et al. hat in "45º Waveguide-Isolators with Phase
Mismatch", Appl. Phys. Lett. 56, 1302 (1990) ein Verfahren
zur Verwendung eines optischen Dünnfilmisolators
beschrieben, der in Anwesenheit von linearer genauso wie von
magnetisch kreisförmiger Doppelbrechung eine brauchbare
optische Isolation erzielt. Dammann et al. beobachtete, daß
trotz der Anwesenheit linearer Doppelbrechung Licht, das in
einen derartigen Wellenleiter in einem linearen
Polarisationszustand eintritt, immer in einem linearen-
Polarisationszustand austritt, vorausgesetzt, daß am
Mittelpunkt des Wellenleiters die Hauptachse der
Polarisationsellipse parallel oder senkrecht zur
Hauptoberfläche des Wellenleiters liegt. (Diese Bedingung
wird hier als die Dammann-Bedingung bezeichnet.)
Bezeichnenderweise sind magnetische Materialien mit linearer
Doppelbrechung im allgemeinen nicht gegen-reziprok, obwohl
sie nicht-reziprok sein können. Als eine Konsequenz daraus
erfüllen die Vorwärtsstrahlung und die reflektierte (sich
umgekehrt ausbreitende) Strahlung im allgemeinen nicht
gleichzeitig die Bedingung, obwohl ein nicht-reziproker
Wellenleiter leicht bereitgestellt werden kann, der die
Dammann-Bedingung für ein Licht ausbreiten in einer Richtung
erfüllt.
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Daher wird z.B. ein optischer lsolator, der Dammanns Prinzip
benutzt, vorteilhaft durch Bereitstellung eines
nichtreziproken um 45º optisch drehenden Wellenleiters
hergestellt. Aus Gründen der Veranschaulichung wird
angenommen, daß das linear polarisierte Licht in einem
derartigen Wellenleiter durch einen zur TE-
Betriebsausrichtung (als mit 0º übereinstimmend angesehen)
bei 67,5º ausgerichteten Eingangspolarisator eintritt und
durch einen bei 22,5º ausgerichteten Ausgangspolarisator
austritt. In einem tatsächlichen Isolator ist es
typischerweise wichtig, den Betrag des reflektierten Lichts,
das in die umgekehrte Richtung entweicht, selbst um den
Preis, etwas Verlust in der Vorwärtsrichtung zu erleiden, zu
minimieren. Um zu gewährleisten, daß das reflektierte Licht
maximal durch den Eingangspolarisator (ausgerichtet bei
67,5º zur TE-Achse) blockiert wird, wird der Wellenleiter
derart konstruiert, daß das reflektierte Licht eher als das
sich nach vorwärts ausbreitende Licht die Dammann-Bedingung
erfüllt.
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Das heißt im allgemeinen, daß das sich nach vorwärts
ausbreitende Licht am Ausgangspolarisator in einem
elliptischen Polarisationszustand auftritt. Ein Teil dieses
Lichts wird durch den Ausgangspolarisator aufgelöst und
übertragen. Sich umgekehrt ausbreitendes Licht (d.h. durch
irgendeine Unstetigkeit im optischen Pfad reflektiertes
Licht) durchläuft den Ausgangspolarisator und tritt mit
einer Linearpolarisation bei 22,5º aus. Dieses Licht erfüllt
die Dammann-Bedingung. Das heißt, am Mittelpunkt des
Wellenleiters besitzt die Polarisationsellipse eine
Hauptachse bei 0º und das Licht kommt beim
Eingangspolarisator linear polarisiert bei -22,5º an. Dieses
Licht wird durch den Eingangspolarisator vollständig
abgeblockt und leistet eine im wesentlichen perfekte
Umkehrauslöschung.
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Vorausgesetzt der Betrag an linearer Doppelbrechung im
Wellenleiter ist relativ gering, wird das sich nach vorwärts
ausbreitende Licht, das am Ausgangspolarisator auftritt,
eine relativ große, durch den Ausgangspolarisator
übertragbare Komponente aufweisen und der Wellenleiter wird
als ein praktischer optischer Isolator brauchbar. Wie auch
immer, je größer die lineare Doppelbrechung ist, desto
größer wird wahrscheinlich auch der Verlust am
Ausgangspolarisator sein.
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Weil lineare Doppelbrechung bekanntermaßen empfindlich auf
die Wellenlänge und Temperatur reagiert, ist bis jetzt
angenommen worden, daß das Verfahren nach Dammann et al. nur
für einen Betrieb bei im wesentlichen einer einzelnen
optischen Wellenlänge und innerhalb eines schmalen, behutsam
kontrollierten Temperaturbereichs brauchbar ist.
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Die Temperaturwirkung auf magnetisch optische
Dünnfilmisolatoren ist z.B. von J.P. Castera et al. in
"Phase Matching in Magneto-Optic YIG Films by Waveguide
Temperature Control", Electronics Lett.", Band 25, Seite 297
(1989) diskutiert worden. Castera berichtete über die
Konstruktion eines Wellenleiter-Isolators, der zu einer im
wesentlichen linearen Doppelbrechung von Null verwendet
werden kann, wobei die Temperatur benutzt wird, um die
spannungsinduzierte Komponente der linearen Doppelbrechung
zu verändern. Bezeichnenderweise berichtete Castera, daß
wegen der Temperaturempfindlichkeit der Doppelbrechung eine
derart eingestellte Einrichtung eine
Temperaturstabilisierung erfordert. Z.B. wird die Temperatur
innerhalb eines 2ºC-Bereiches gehalten, um eine stabile
Isolation von 30 dB zu erreichen.
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Die Wellenlängenempfindlichkeit eines derartigen Isolators
ist z.B. bei R. Wolfe et al. in "Etch-Tuned Ridged Waveguide
Magneto-Optic Isolator", Appl. Phys. Lett., Band 56, S. 427
(1990) diskutiert worden. Wolfe berichtete, daß, wenn reines
TE-Licht in einen geätzt abgestimmten Wellenleiter-Isolator
injiziert wurde, sich die Isolationsrate von einem
angenehmen Wert von -35 dB bei der Abstimmwellenlänge von
1,545um auf einen viel weniger angenehmen Wert von -16 dB
bei 1,45 um veränderte. Wegen der
Wellenlängenempfindlichkeit der Doppelbrechung geriet die
Isolationsrate in eine Größenordnung bei 19 dB über einen
Wellenlängenbereich von weniger als 0,1 um.
Zusammenfassung der Erfindung
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Ein Verfahren gemäß der Erfindung ist in Anspruch 1
dargelegt.
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Es ist entdeckt worden, daß wenn ein magnetisch-optischer
Dünnfilmisolator gemäß dem Verfahren nach Dammann et al.
betrieben wird, eine sehr gute Rückwärtsisolation und ein
gemäßigter Vorwärtsverlust über einen unerwartet breiten
Wellenlängen- und Temperaturbereich erreicht werden kann.
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Daher beinhaltet die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
ein Bereitstellen eines magnetisch-optischen
Dünnfilmisolators mit einem nahe bei 67,5º ausgerichteten
Eingangspolarisator und einem nahe 22,5º zur TE- oder TM-
Richtung (oder umgekehrt) ausgerichteten Ausgangspolarisator
und ein Verwenden des Isolators mit mindestens zwei
Wellenlängen, die wenigstens um etwa 0,05 um voneinander
getrennt sind. Bezeichnenderweise ist ein
Wellenlängenbereich von mindestens 0,05 um in Verbindung mit
einer Übertragung eines optischen
Wellenlängenmultiplexsignals nutzbar.
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In einer anderen Ausführungsform umfaßt die Erfindung ein
Verwenden eines derartigen Isolators, der außerdem
eingestellt ist, eine im wesentlichen lineare Doppelbrechung
von Null bei einer ersten Wellenlänge nahe des
Niedrigtemperaturendes eines Temperaturbetriebsbereiches,
der mehr als etwa 20ºC umfaßt, zu haben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 zeigt eine Perspektivsicht der Poincare-Kugel, die
ein graphisches Werkzeug zur Darstellung der
Polarisationslagen und ihrer Entwicklung ist. Dargestellt
wird die Trajektorie ABCD der Polarisationslage von Licht in
einem optischen Isolator unter Einsatz des Verfahrens nach
Dammann et al.
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Fig. 2 zeigt die Poincare-Kugel gemäß Fig. 1 und zeigt
weiterhin die Wirkung eines Verstellens der
Ausgangspolarisation weg von 22,5º.
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Fig. 3 zeigt eine schematische Perspektivsicht eines
optischen Wellenleiterisolators.
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Fig. 4 zeigt eine Grafik der als eine Funktion der
Temperatur gemessenen Isolationsrate, die durch einen
exemplarischen Isolator erzielt wurde. Geplotted sind zwei
verschiedene Isolationsraten. Die gefüllten Quadrate stellen
die Rückwärtsisolationsrate (nachfolgend als RIR (="Reverse
Isolation Ratio")) und die offenen Quadrate stellen die
Vorwärtsauslöschungsrate (nachfolgend als FER (= "Forward
Extinction Ratio")) dar.
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Fig. 5 veranschaulicht schematisch die Aufteilung eines
behandelten Substrats, um gemäß einem Aspekt der Erfindung
eine Vielzahl an Wellenleiter zu bilden.
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Fig. 6 zeigt eine Prinzipskizze eines optischen Systems, das
gemäß einem Aspekt der Erfindung verwendet werden kann.
Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform
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Die folgende Diskussion wird durch Bezugnahme auf ein in
Fig. 1 dargestelltes und als die Poincare'sche Kugel
bekanntes Anschauungsbild vereinfacht. Die Poincare'sche
Kugel stellt eine Abbildung der Polarisationslagen einer
Lichtwelle auf der Oberfläche einer Kugel dar. Die
Veränderung dieser Lagen, da sich die Lichtwelle durch z.B.
einen nicht-absorbierenden Doppelbrechungswellenleiter
fortpflanzt, wird angenehm durch Trajektorien auf der
Oberfläche der Kugel dargestellt.
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Auf dieser Kugel stellen Punkte auf dem Äquator linear
polarisierte Lagen derart dar, daß der Punkt, der 0º
darstellt (reines TE) diametrisch dem Punkt, der 90º (reines
TM) darstellt, gegenüber liegt. Die Pole stellen eine
Kreispolarisierung dar und alle anderen Punkte entsprechen
elliptisch polarisierten Lagen. Der Punkt M entspricht der
Polarisationslage der schnelleren der zwei
Wellenleitereigenmoden, wenn die Magnetisierung parallel zur
Vorwärtsfortpflanzungsrichtung des Lichts ist. Umgekehrt
entspricht der Punkt M der schnelleren Eigenmode, wenn die
Magnetisierung gegenparallel zur
Vorwärtsfortpflanzungsrichtung ist. (Also liegt der Punkt M
am Nordpol, wenn das Material durch eine finite Faraday-
Drehung aber linearer Doppelbrechung von Null geprägt wird.)
Jede Trajektorie stellt die Veränderung einer
Polarisationslage (in einem verlustarmen Wellenleiter) dar
und ist ein Bogen auf der Kugeloberfläche einer
Rechtsdrehung um M&spplus; oder M&supmin;.
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In dem exemplarischen oben diskutierten optischen Isolator
stellt also Punkt A die Eingangspolarisation des Lichts beim
Ausbreiten in Vorwärtsrichtung dar. Pfad AB stellt die
Veränderung des Lichts vom Eingangs- zum Ausgangspolarisator
dar. Die Länge des Bogens BC ist anzeigend für den
Vorwärtsüberschußverlust (d.h., ein Vorwärtsverlust infolge
der Polarisationswirkung und nicht zurückzuführen auf
Verluste, die dem Wellenleiter anhaften). Pfad CD stellt das
sich rückwärts fortpflanzende Licht dar. Im einzelnen muß
erwähnt werden, daß der Mittelpunkt des Pfades CD auf dem
0&sup0;-Meridian liegt und die Dammann-Bedingung damit erfüllt
wird. Als eine Konsequenz daraus kommt das sich rückwärts
fortpflanzende Licht am Punkt D in einem Zustand einer
reinen linearen Polarisation, die komplett durch den
Eingangspolarisator abgeblockt wird, an. In diesem Beispiel
befinden sich beide Pfade AB und OD auf Rechtsumdrehung um
den Punkt M&spplus;.
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Weitere Eigenschaften des optischen Isolators werden unter
Bezugnahme auf die Poincare'sche Kugel deutlich. Es wird
Bezug auf die Fig. 2 genommen; eine Ausrichtung von 22,5º
des Ausgangspolarisators z.B. (Punkt C) ist, obwohl optimal,
nicht einmalig. Das heißt, es kann eine andere Ausrichtung
von ein paar Grad weg von den 22,5º gewählt werden. Eine
derartige Ausrichtung wird z.B. durch den Punkt C'
dargestellt. In einem solchen Fall wird die Dammann-
Bedingung immer noch erfüllt und eine im wesentlichen
perfekte Rückwärtsisolation wird immer noch erzielt,
vorausgesetzt Punkt D, der die Polarisationslage des sich
rückwärts fortpflanzenden Lichtes darstellt, wenn dieses am
Eingangspolarisator ankommt, sich einer symmetrischen
Verschiebung zum Punkt D' hin unterzieht. Weil der
Eingangspolarisator orthogonal zur von Punkt B'
dargestellten Polarisation sein muß, ist es notwendig, Punkt
A entsprechend nach Punkt A' zu verschieben. Das Ergebnis
ist, wie im Beispiel dargestellt wird, eine totale Drehung
im Isolator von etwas weniger als 45º und mit einem
Eingangspolarisationswinkel von etwas großer als 67,5º. Weil
beides, die Eingangslage und die Drehung, verändert werden,
hat das Verschieben des Punktes B (darstellend die
vollständig gedrehte Lage des sich vorwärts fortpflanzenden
Lichtes) hin zum Punkt B' die doppelte Winkelgröße der
anderen entsprechenden hier beschriebenen Verschiebungen
Die mit Bezug auf BC angewachsene Bogenlänge B'C' stellt den
durch diese Veränderungen herbeigeführten angewachsenen
Vorwärtsüberschußverlust dar. Aus der Figur wird schnell
ersichtlich, daß sowohl eine Verschiebung im Uhrzeigersinn
als auch eine gegen den Uhrzeigersinn des Punktes C den
Vorwärtsüberschußverlust ansteigen läßt. In diesem Sinne ist
die Wahl von 22,5º optimal. Veränderungen bis zu 5º (sowohl
in positive als auch in negative Richtung) können
durchgeführt werden, ohne sich einem verbotenen
vorwärtsüberschußverlust auszusetzen.
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Die benötigte Gesamtlänge des Wellenleiters, um eine
perfekte 45º-Drehung herbeizuführen entsprechend dem Pfad
CD, wird hier mit L&sub4;&sub5; bezeichnet und ist theoretisch durch
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vorgegeben, wobei, wie vorher erwähnt wurde, B = Δβ/2.
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Es wird sich jetzt Fig. 3 zugewendet; eine bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen geätzt abgestimmt
gerieften Wellenleiterisolator, wie er z.B. in R. Wolfe et
al., J. Appl. Phys., Band 63, S. 3099 (1988) und in R. Wolfe
et al., Appl. Phys. Lett., Band 56, S. 427 (1990)
beschrieben ist. Der Wellenleiter besteht aus einem
Dreischichtenfilm eines modifizierten Wismuth-Ytrium-
Eisengranats (Bi-YIG), der so konstruiert worden ist, eine
TE-Monomode und eine TM-Monomode zu tragen. Die Schichten
werden z.B. durch konventionelle Verfahren einer
Flüssigphasen-Epitaxie auf einem (111)-ausgerichteten GGG-
Substrat 10 gezogen. Hoher optischer Verlust wird an die
untere Schicht 20 weitergegeben, damit sie sich wie eine
Mode-führende Streifenschicht (d.h., damit sie alle Moden
außer der niedrigsten Klasse der TE- und TM-Moden
absorbiert) verhält. Im einzelnen wird die untere Schicht
mit Kobalt dotiert und das Ytrium wird durch drei seltene
Erdmetalle ersetzt, die nahe der gewählten
Betriebswellenlänge, die beispielhaft bei 1,5 um liegt,
Absorptionspeaks aufweisen. Die drei seltenen Erdmetalle
sind Praseodym, Samarium und Erbium. Die nominale
Zusammensetzung dieser Schicht ist
(Bi0,5Er1,4Sm0,7Pr0,4)(Fe4,0Co0,2Al0,8)O&sub1;&sub2;.
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Die mittlere Schicht 30 und die obere Schicht 40 sind
weniger verlustreiche Schichten mit einer
Nominalzusammensetzung von (Bi0,5Y2,5)(Fe3,7Ga1,3)O&sub1;&sub2;. Diese
Schichten werden mit Kalzium, das partiell durch
Sauerstofflücken ersetzt wird, dotiert, so daß ihre
wachstumsbedingte einachsige Anisotropie bei einer
gemäßigten Temperatur (z.B. bei 1050ºC) ausgehärtet werden
kann. Die Konzentration von Wismuth in der oberen Schicht
ist größer als die in der mittleren Schicht, was ein
Zunehmen des Brechungskoeffizienten der oberen Schicht
relativ zur mittleren Schicht um etwa 0,5% zur Folge hat.
Die obere und die mittlere Schicht ist jeweils etwa 3,4 um
dick.
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Die lineare Doppelbrechung im Wellenleiter wird bei einer
Wellenlänge von etwa 1,5 um durch Ätzen der Oberfläche der
oberen Schicht in Phosphorsäure auf Null reduziert.
Mindestens ein Steg 50 wird in die obere Oberfläche des
Wellenleiters geätzt, um einen Leitkanal bereitzustellen.
Der Steg wird durch ein verstärktes
Ionenimplantationsätzverfahren geätzt. Das heißt, dem
Wellenleiter werden durch ein Photoresistmuster
Siliziumionen implantiert. Das Photoresist wird entfernt und
der Wellenleiter wird in Phosphorsäure geätzt. Die Ätzrate
der impiantierten Zone wird in Bezug auf die
nichtimplantierten Zonen auf etwa die tausendfache Zeit
verstärkt. Das Phosphorsäure-Ätzverfahren läßt mindestens
einen Streifen von beispielsweise 8 um Breite und 0,5 um
Höhe zurück. Der oder die Streifen werden entlang einer
Richtung 112 ausgerichtet, die eine der günstigen
Magnetisierungsrichtungen in der Filmebene 111 ist. Nachdem
der oder die Streifen gebildet sind, wird der Wellenleiter
wieder bei 1,545 um auf eine lineare Doppelbrechung von Null
durch Abscheiden einer 700 Angström dicken Schicht aus Si&sub3;N&sub4;
auf der oberen Oberfläche des Wellenleiters abgestimmt.
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Die gemessen Faraday-Drehung des wie beschrieben
hergestellten exemplarischen Wellenleiters liegt bei etwa
133º/cm. Um einen 45º-Rotator zu bilden, wird der
Wellenleiter auf eine Länge von 3,4 mm geschnitten und die
Kanten 60 und 70 werden geschliffen und vergütet.
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Ein brauchbarer Eingang wird durch eine optische
polarisationsaufrechterhaltende Faser 80 mit einer
Hauptachse, die um etwa 22,5º aus der TE- oder TM-Richtung
gedreht ist, bereitgestellt. Das polarisierte Licht wird in
Längsrichtung aus der Faser aus- und in den Wellenleiter
eingekoppelt. Alternativ kann die Faser selbst eine um etwa
22,5º aus der TE- oder TM-Richtung ausgerichtete
Polarisationsfaser sein.
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Ähnlich wird ein brauchbarer Ausgang durch eine optische
polarisationsaufrechterhaltende Faser (nicht gezeigt) mit
einer Hauptachse, die um 45º (in Richtung der optischen
Drehung) aus der Hauptachse der Eingangsfaser gedreht ist,
bereitgestellt. (Bezeichnenderweise ist die Hauptachse der
Ausgangsfaser, wenn die Hauptachse der Eingangsfaser aus der
TE-Richtung um 22,5º ausgerichtet ist, aus der TM-Richtung
um 22,5º ausgerichtet und umgekehrt.) Licht beispielsweise
wird direkt vom gerieften Wellenleiter in die Faser
gekoppelt und am entfernten Ende der Faser wird ein
Ausgangspolarisator angeordnet. Alternativ kann auch eine
Polarisationsfaser verwendet werden.
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Ein magnetisches Feld parallel zur Ausbreitungrichtung, das
stark genug ist, den Wellenleiter magnetisch zu sättigen,
wird z.B. unter Einsatz eines permanenten Stabmagnets oder
einer elektromagnetischen Spule angelegt. Eine Feldstärke
von 30 Oe wird typischerweise verwendet.
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Eine brauchbare Gütezahl des Wellenleiters, hier
Rückwärtsisolationsrate (RIR) genannt, beschreibt dessen
Wirksamkeit als optischer Isolator. Das heißt Ioutrev gibt die
Intensität des durch den Eingangspolarisator übertragenen,
sich rückwärts fortpflanzenden Lichts wieder. Dann ist RIR
die Rückwärtsschwächung und wird äquivalent zu Ioutrev als eine
Bruchzahl des übertragenen, sich rückwärts fortpflanzenden
Lichts, das in den Isolator reflektiert wird oder anders
eindringt, ausgedrückt. Das heißt:
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RIR = Ioutrev/Iinrev,
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wobei Iinrev die Intensität des in den Isolator in
Rückwärtsrichtung eindringenden Lichtes wiedergibt. Im
Idealfall wird kein sich rückwärts fortpflanzendes Licht
übertragen. Der entsprechende Wert von RIR wird zu Null oder
"minus unendlich" Dezibel (dB). Experimentell in dB
ausgedrückte gemessene Werte werden negativ und für einen
brauchbaren Wellenleiter angenehm kleiner als (d.h.
negativer als) etwa -10 dB und vorzugsweise kleiner ars etwa
-20 dB.
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Eine zweite brauchbare Gütezahl des Wellenleiters, hier die
Vorwärtsauslöschungsrate (FER = Forward Extinction Ratio)
genannt, wird hier als ein Meßwert des
Vorwärtsüberschußverlustes verwendet. Das heißt, Iinh gibt die
Intensität eines Lichtstrahl, der den Wellenleiter in
Vorwärtsrichtung mit erlittenen Eigenverlusten im
Wellenleiter (z.B. infolge von Streuung und Absorption)
verläßt, der aber keinen Vorwärtsüberschußverlust erfahren
hat, wieder. Ifwd gibt die entsprechende Intensität wieder,
wenn derselbe Lichtstrahl zusätzlich
Vorwärtsüberschußverlust erleidet. Dann ist FER der
Vorwärtsüberschußverlust als Bruch von Iinh ausgedrückt. Das
heißt
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FER = (Iinh - Ifwd)/Iinh.
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Idealerweise liegt beim sich vorwärts fortpflanzenden Strahl
nur Eigenverlust vor und FER wird folglich gleich zu Null
(oder "minus unendlich") dB. Im schlimmsten möglichen Fall
findet überhaupt keine Vorwärtsübertragung statt und FER
gleicht Eins (oder 0 dB). Für einen brauchbaren Wellenleiter
liegt FER wünschenswerterweise bei höchstens etwa -1 dB und
vorzugsweise bei weniger als etwa -3 dB.
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Beide Gütezahlen werden durch eine nachfolgend beschriebene
Technik leicht gemessen.
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Es ist entdeckt worden, daß im Gegensatz zum allgemeinen
früheren Verständnis ein wie oben beschriebener aufgebauter
optischer Isolator RIR-Werte, die kleiner als -30 dB und
FER-Werte, die kleiner als -10 dB über einem Spektralbereich
von mindestens etwa 0,15 um, der sich beispielsweise von
etwa 1,430 um (d.h. etwa 0,115 um unterhalb der
exemplarischen Abstimmwellenlänge von B=0) bis etwa 1,580 um
(d.h. etwa 0,035 um über der exemplarischen
Abstimmwellenlänge) erstreckt, an den Tag legen kann. Es
wird für möglich gehalten, daß ein nutzbarer Bereich für
denselben Isolator in der Größe von mindestens 0,25 um liegt
und sowohl 1,3 um als auch 1,55 um umfaßt, die beiden
derzeitig wichtigsten Wellenlängen für eine optische
Kommunikation. Eine theoretische Grundlage, um den nutzbaren
Bereich vorauszusagen, wird z.B. in R. Wolfe et al., Appl.
Phys. Lett., Band 56, S. 427 (1990)diskutiert.
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Weil sich L&sub4;&sub5; verändert, wenn die Wellenlänge variiert wird
und nur mit der Wellenlänge bei der Abstimmwellenlänge
übereinstimmt, ist es im allgemeinen wünschenswert, d&n
Ausgangspolarisator immer wenn die Wellenlänge verändert
wird zu drehen, um den besten RIR-Wert bei jeder Wellenlänge
zu erreichen. Wenn der Ausgangspolarisator nicht rotiert
wird, dann wird im allgemeinen ein kleinerer (obwohl
möglicherweise akzeptabel) RER-Wert erzielt.
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Es muß erwähnt werden, daß ein ähnlich breiter nutzbarer
Spektralbereich auch für zumindest einige
Wellenleiterisolatoren erwartet wird, die bei keiner
Wellenlänge auf B=0 abgestimmt sind. D.h. ein nutzbarer
Bereich von mindestens etwa 0,2 um um eine mittlere
Wellenlänge wird erwartet, vorausgesetzt daß: 1) der
Wellenleiter eine Eingangspolarisation von etwa 22,5º mit
Bezug zur TE- oder TM-Richtung hat; 2) der Wellenleiter die
Dammann-Bedingung für sich fortpflanzendes Licht bei der
mittleren Wellenlänge erfüllt; und 3) daß das Verhältnis B/F
kleiner als etwa 1 bei der mittleren Wellenlänge (für die
die Dammann-Bedingung exakt erfüllt wird) ist.
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Weil die Bedingtheit von L&sub4;&sub5; durch die Wellenlänge mindestens
zwei voneinander getrennten Wirkungen unterworfen ist, die
dazu tendieren, sich gegenseitig partiell zu kompensieren,
liegt ein Wellenlängenbereich vor, über den der
Wellenleiterisolator auch ohne Drehen des
Ausgangspolarisators eingesetzt werden kann. Erstens
tendiert der Faraday-Koeffizient F abzunehmen, wenn die
Wellenlänge verstärkt wird. Das Ergebnis dieser Wirkung
allein würde L&sub4;&sub5; ansteigen lassen, wenn die Wellenlänge
verstärkt wird. Zweitens tendiert L&sub4;&sub5; bei festen Werten von F
zur Abnahme, wenn die lineare Doppelbrechung B verstärkt
wird. In einem längenfixierten Wellenleiter können diese
Wirkungen hervorgebracht werden, um zumindest partiell über
irgendeinen Bereich der Wellenlänge durch Abstimm-Ätzen des
Wellenleiters hin zum unteren Wellenlängenende des Bereichs,
z.B. zur niedrigsten Wellenlänge des Bereichs, zu löschen.
Wenn die Wellenlänge erhöht wird, nimmt F ab und B nimmt zu,
derart, daß L&sub4;&sub5; dicht an der fixierten Länge des
Wellenleiters bleibt. Deshalb kann nicht nur derselbe
Isolator gesondert bei mehr als einer Wellenlänge verwendet
werden, sondern es kann außerdem ein Signal oder eine
Kombination aus Signalen mit vielfältigen Wellenlängen
gleichzeitig nutzbar übertragen werden. Ein nutzbarer
Wellenlängenbereich für eine derartige Übertragung liegt wie
erwähnt bei mindestens etwa 0,05 um. Eine derartige
mannigfaltige Wellenlängenübertragung ist besonders in
Verbindung mit einer Wellenlängenmultiplexsignalübertragung
nutzbar.
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Außerdem variiert die lineare Doppelbrechung nicht nur mit
der Wellenlänge, sondern auch mit der Temperatur. Wenn z.B.
ein zu dem hier beschriebenen gleicher Wellenleiterisolator
entweder erhitzt wird auf 30ºC oberhalb oder abgekühlt wird
auf 30ºC unterhalb der Temperatur, bei der er auf B=0
abgestimmt ist, dann steigt B in einem exemplarischen
Isolator von 0 (bei der Abstimmwellenlänge) auf etwa 90º/cm,
was einen Vorwärtsüberschußverlust von 1 dB nach sich zieht.
(Nachzulesen z.B. in J.P. Castera et al., "Phase Matching in
Magneto-Optic YIG Films by Waveguide Temperatur Control",
Electronics Lett., Band 25, S. 297 (1989).) Weil 1 dB im
allgemeinen ein akzeptabler Verlust ist, kann der nutzbare
Temperaturbereich des Wellenleiterisolators mindestens 60ºC
breit sein.
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Gute Rückwärtsisolation kann über einen noch größeren
Temperaturbereich bei Verwendung der Temperaturabhängigkeit
von erzielt werden. Das heißt, F wächst im allgemeinen an,
wenn die Temperatur verringert wird. Deshalb wird, wenn der
Wellenleiter am unteren Ende des Temperaturbereichs über den
der Wellenleiter verwendet werden soll abgeglichen ist, jede
andere beliebige Temperatur innerhalb des Bereichs einem
kleineren Wert von F und einem größeren Wert von E
entsprechen. Analog zur oben diskutierten
Wellenlängenkompensation werden diese Temperaturwirkungen
zumindest teilweise aufgehoben, um den L&sub4;&sub5;-Wert eng an der
festen Länge des Wellenleiters über irgendeinen
Temperaturbereich zu halten. In dem hier diskutierten
Wellenleiter ist ein derartiger Temperaturbereich noch
größer als 60ºC. Im Mangel an eine Temperaturstabilisierung
können Temperaturen in optischen Isolatoren um
typischerweise mehr als etwa 20ºC schwanken. Im einzelnen
wird deshalb ein brauchbarer Temperatur-kompensierender
Isolator durch Festlegung eines Temperaturbetriebsbereichs,
der mehr als etwa 20ºC umfaßt und durch Abstimmung des
Wellenleiters bei einer Temperatur nahe des unteren
Bereichsendes, z.B. bei einer Temperatur, die von der
niedrigsten Temperatur des Bereichs um weniger als etwa 10%
des Bereichs differiert, geschaffen.
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Außerdem erlaubt die Temperaturkompensationswirkung einen
Betrieb mit einer guten Rückwärtsisolation über einen
gemäßigten Temperaturbereich sogar ohne Drehen des
Ausgangspolarisators.
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Zusammengefaßt sind abgestimmte Wellenleiterisolatoren mit
Eingangspolarisationen von 22,5º (bezogen auf TE oder TM)
auch ohne perfekte Abstimmung der linearen Doppelbrechung zu
null nutzbar. Als Konsequenz daraus kann ein Einzelsubstrat
(z.B. ein GGG-Wafer) verwendet werden, um Isolatoren zu
schaffen, die bei verschiedenen Wellenlängen über einen z.B.
sowohl 1,3 um und 1,55 um umfassenden namhaften Bereich
arbeiten können. Unter Bezugnahme auf die Figuren 5 und 6
heißt das, daß eine magnetisch-optische Dünnfilm-
Wellenleiterstruktur 100 auf dem Substrat gebildet werden
kann. Das Substrat kann dann geteilt werden (z.B. in
zumindest zwei im wesentlichen identische Wellenleiterteile
110) und ein Eingangspolarisator 120 und ein
Ausgangspolarisator 130 hinzugefügt werden, um wenigstens
zwei Isolatoren zu bilden. Jeder der zwei Isolatoren kann
mit einer unterschiedlichen Lichtquelle 140 bereitgestellt
werden, wobei die Quellen jeweilige um mindestens 0,05 um
differierende Wellenlängen bereitstellen (z.B. wie die
erwähnten Wellenlängen von 1,3 um und 1,5 um). Die relativen
Ausrichtungen der Eingangs- und Ausgangspolarisatoren
können, obwohl es nicht notwendig ist, so eingestellt
werden, daß sie die beste Rückwärtsisolation bei der
jeweiligen Wellenlänge bewirken. Jede derartige Einrichtung
kann eine gute Rückwärtsisolation und einen gemäßigten
Vorwärtsüberschußverlust über einen angewandten
Wellenlängen-Temperaturbetriebsbereich aufweisen. Zusätzlich
können die Wellenlänge- und Temperaturbetriebsbereiche noch
weiter ausgeweitet werden, indem die Wellenleiter so
konstruiert werden, daß sie die Wellenlängen- und
Temperaturkompensationsphänomene ausnutzen.
Beispiel
-
Ein geätzt-abgestimmt geriefter Wellenleiterisolator wurde
wie oben beschrieben hergestellt. Licht aus einem von 1,43
um bis 1,58 um einstellbaren Farbleitpunktlaser wurde in
Längsrichtung durch eine polarisationsaufrechterhaltende
Faser in den Wellenleiter gekoppelt. Die Hauptachse der
Faser wurde um 22,5º aus der Ebene des Wellenleiters derart
gedreht, daß linear polarisiertes Licht aus dem Laser in den
Wellenleiter in einer dem Punkt C auf der Poincareschen
Kugel gemäß Fig. 1 entsprechenden Lage eindrang. Aus Gründen
der Versuchsdurchführung wurde Licht nur in der
Rückwärtsrichtung durch den Wellenleiter fortgepflanzt. Um
die Vorwärtsausbreitung zu simulieren wurde das angelegte
magnetische Feld periodisch umgedreht. Das heißt, mit dem
magnetischen Feld parallel zur Fortpflanzungsrichtung
markierte die Polarisationslage den Pfad OD auf der
Poincare'schen Kugel. Mit dem antiparallelen Feld markierte
die Polarisationslage den Pfad CE.
-
Pfad CE stellt eine Rechtsdrehung um den Punkt M dar. Aus
Symmetriebetrachtungen heraus wird offenbar, daß der Pfad CE
kongruent zu Pfad AB, der eine Rechtsdrehung um den Punkt M&spplus;
darstellt, ist. Deshalb ist der Bogen BC gleich dem Bogen EA
und die entsprechenden Vorwärtsüberschußverluste sind
gleich.
-
Ein aus einem Glan-Thompson-Prismenpolarisator bestehender
Ausgangsanalysator wurde bereitgestellt. Der
Ausgangsanalysator kann u.a. in einem -22,5º umfassenden
Bereich und einem 67,5º umfassenden Bereich ausgerichtet
werden.
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RIR wurde bei einer Einstellung des Ausgangsanalysators bei
67,5º gemessen. Die jeweils mit einem zur
Ausbreitungsrichtung parallelen und antiparallelen Feld
übertragenen Lichtintensitäten wurden gemessen. RIR wurde
als das Verhältnis der Parallelfeldintensität (entsprechend
dem Punkt D auf der Poincareschen Kugel) zu der
Antiparallel-Feldintensität (entsprechend dem Punkt E)
genommen.
-
FER wurde bei einer Einstellung des Ausgangsanalysators bei
-22,5º gemessen. Die jeweils mit einem zur
Ausbreitungsrichtung parallelen und antiparallelen Feld
übertragenen Lichtintensitäten wurden wieder gemessen. FER
wurde als das Verhältnis der Antiparallel-Feld-Intensität
(Punkt E) zur Parallel-Feld-Intensität (Punkt D) genommen.
-
Es wird auf Fig. 4 Bezug genommen; die gefüllten Quadrate
geben das gemessene RIR als eine Funktion der Wellenlänge
über den einstellbaren Laserbereich wieder und die offenen
Quadrate geben das gemessene FER über denselben Bereich
wieder. Es wird angemerkt, daß nahe der Wellenlänge mit der
linearen Doppelbrechung von 0 das gemessene RIR bei etwa -37
dB und das gemessene FER bei etwa -32 dB war. Bei jeder
Wellenlänge wurde der Ausgangspolarisator gedreht, um RIR zu
optimieren. Das gemessene RIR war über den gesamten
zugänglichen Wellenlängenbereich -32 dB oder besser. Diese
Messungen wurden durch Streulicht im Experiment und nicht
durch anhaftende Eigenheiten des Wellenleiterisolators
begrenzt.
-
Es muß erwähnt werden, daß das sich in die Eingangsfaser
ausbreitende Licht eher elliptisch als linear polarisiert
wurde, weil ein ungewolltes Verdrehen der Faser eine
zirkulare Doppelbrechungskomponente zur anhaftenden linearen
Doppelbrechung der Faser hinzufügte. Als eine Konsequenz
daraus variierte die Polarisationslage des in den
Wellenleiterisolator eindringenden Lichtes periodisch mit
der Wellenlänge. Das in den Wellenleiterisolator
eindringende Licht wurde bei den in Fig. 4 durch die
Meßpunkte dargestellten Wellenlängen linear polarisiert,
zwischen diesen Punkten aber kann das Licht in einer
elliptischen Polarisationslage in den Wellenleiter
eindringen.
-
Wie aus der Figur ersichtlich wird, verschlechterte sich
FER, wenn die Größe der linearen Doppelbrechung des
Wellenleiters auf einer der beiden Seiten der abgestimmten
Wellenlänge zunahm. Bei der kürzesten getesteten Wellenlänge
entspricht FER von -10 dB einem maximalen
Vorwärtsüberschußverlust von nur etwa 10%.